机械手PLC控制系统的设计.doc

毕业设计（论文）机械手PLC控制系统的设计 毕业设计（论文）任务书课题名称 机械手PLC控制系统的设计课题性质 工程设计类 班 级 一选题意义及背景通过本次毕业设计，使学生掌握PLC控制的基本原理、步进电机及驱动模块、直流电机、传感器、开关电源等器件的原理及使用，学生可以加深对相关器件的感性认识，增强基本技能训练的实践性教学环节，为学生毕业后从事相关工作打下良好基础。本课题具有较强的应用性和实用性。二毕业设计（论文）主要内容： 本课题应完成的主要工作为机械手控制系统中PLC的选型、设备元件的选择及相应硬件线路设计；PLC程序的编写，主要使用步进指令；调试系统达到设计要求，并完成毕业论文。 预期成果为应用软件一套，提交毕业设计论文一篇。三计划进度：第 8 周 查阅资料、选型对比调研，初步确定系统方案。 第 9-10 周 完成PLC的选型、设备元件的选择及相应硬件线路设计。 第 11 周 PLC程序的编写。第 12 周 调试系统达到设计要求，并完成毕业论文。 第 13 周 答辩。四毕业设计（论文）结束应提交的材料：1、论文一篇(8000字以上) 2、应用软件一套指导教师 教研室主任 年 月 日年 月 日论文真实性承诺及指导教师声明学生论文真实性承诺本人郑重声明：所提交的作品是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，内容真实可靠，不存在抄袭、造假等学术不端行为。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。如被发现论文中存在抄袭、造假等学术不端行为，本人愿承担本声明的法律责任和一切后果。毕业生签名： 日 期： 指导教师关于学生论文真实性审核的声明本人郑重声明：已经对学生论文所涉及的内容进行严格审核，确定其内容均由学生在本人指导下取得，对他人论文及成果的引用已经明确注明，不存在抄袭等学术不端行为。指导教师签名： 日 期： 徐州工业职业技术学院毕业设计(论文)指导教师评阅表学 号学生姓名论文成绩系 部专 业班 级导师姓名周天沛职 称讲师题 目机械手PLC控制系统的设计指导教师评语（包含对论文的性质、难度、份量、学生实际完成情况，论文撰写格式、学生学术道德等方面的评价，是否同意答辩等） 指导教师签名：年 月 日摘要伴随着机电一体化在各个领域的应用，机械设备的自动控制成分显得越来越重要，由于工作的需要，人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害，增加了工人的劳动强度，甚至于危机生命。因此机械手就在这样诞生了,机械手是工业机器人系统中传统的任务执行机构，是机器人的关键部件之一。其中的工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，它的发展是由于其积极作用正日益为人们所认识：它能部分地代替人工操作；能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；能制作必要的机具进行焊接和装配从而大大改善工人的劳动条件，显著地提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。本设计采用三菱FX系列PLC作为控制机对工业机械手进行控制及监控。关键词： 可编程控制器PLC；机械手；步进电机Abstract 自己翻译Keywords: 目录第1章绪论 .11.1课题背景11.2本次设计的主要内容1第2章 可编程控制器 .2 2.1可编程控制器的定义.2 2.2可编程控制器的特点.2 2.3 PLC的基本结构.22.4 PLC的工作原理.2第3章 机械手控制系统的硬件电路设计.73.1硬件电路连线图 .83.2硬件设备选择 .93.3 PLC机型选择 .13第4章 机械手控制系统的软件程序设计15 4.1 GX-Developer软件的介绍 .15 4.2 软件程序流程图 16 4.3 I/O地址分配表.17 4.4 程序状态图 .18第5章 机械手控制系统的调试 .20 第6章 总结 21附录 23参考文献 25致谢 26本次设计的主要内容本课题是基于PLC机械手自动控制工件传送设计，因此本毕业设计的主要设计内容是机械手的控制部分：如系统的硬件电路部分，包括各种电路图的设计，PLC机型的选择，输入/输出的分配等；软件部分主要包括对软件的设计，仿真，调试等。硬件本设计所用机械部件有滚珠丝杠、滑轨、气控机械抓手等。电气方面有可编程控制器（PLC）、编程器、步进电机、步进电机驱动器、直流电机、光电传感器、开关电源、电磁阀、旋转码盘、操作台等部件。可编程控制器发出两路脉冲到步进电机驱动器，分别驱动横轴、竖轴的步进电机运转；直流电机拖动底座和手爪的旋转；接近开关、微动开关、旋转码盘将位置信号反馈给主机，由主机发出指令来实现对手臂的伸缩、上下、转动位置的控制；主机发信号到气动电磁阀，以控制手爪的张合来抓放物体。本设计可根据工件的变化及运动流程的要求随时更改相关参数，具有很大的灵活性和可操作性。软件GX Developer 三菱全系列PLC程序设计软件，支持梯形图、指令表、SFC、ST及FB、Label语言程序设计，网络参数设定，可进行程序的线上更改、监控及调试，结构化程序的编写(分部程序设计)，可制作成标准化程序，在其它同类系统中使用。硬件设备的选择1. 步进电机的原理与选择(1) 步进电机的工作原理步进电机是数字控制系统中的执行电动机，当系统将一个电脉冲信号加到步进电机定子绕组时，转子就转一步，当电脉冲按某一相序加到电动机时，转子沿某一方向转动的步数等于电脉冲个数。因此，改变输入脉冲的数目就能控制步进电动机转子机械位移的大小；改变输入脉冲的通电相序，就能控制步进电动机转子机械位移的方向，实现位置的控制。当电脉冲按某一相序连续加到步进电动机时，转子以正比于电脉冲频率的转速沿某一方向旋转。因此，改变电脉冲的频率大小和通电相序，就能控制步进电动机的转速和转向，实现宽广范围内速度的无级平滑控制。步进电动机的这种控制功能，是其它电动机无法替代的。步进电动机可分为磁阻式、永磁式和混合式，步进电动机的相数可分为：单相、二相、三相、四相、五相、六相和八相等多种。增加相数能提高步进电动机的性能，但电动机的结构和驱动电源就会复杂，成本就会增加，应按需要合理选用。(2) 步进电动机的特点步进电动机是一种作为控制用的特种电机，它的旋转是以固定的角度(称为“步距角”)一步一步运行的，其特点是没有积累误差(精度为100)，所以广泛应用于各种开环控制。步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比步距值不容易因为电气、负载、环境条件的变化而改变,使用开环控制(或半闭环控制)就能进行良好的定位控制。起制动、正反转、变速等控制方便。价格便宜，可靠性高。步进电动机的主要缺点是效率较低，并且需要配上适当的驱动电源。步进电动机带负载惯性的能力不强，在使用时既要注意负载转矩的大小,又要注意负载转动惯量的大小,只有当两者选取在合适的范围时,电机才能获的满意的运行性能。由于存在失步和共振，因此步进电机的加减速的方法根据利用状态的不同而复杂多变。(3) 步进电动机的选择计算在选择步进电动机时首先考虑的是步进电动机的类型选择，其次才是具体的品种选择，在机械手控制系统中要求步进电动机电压低、电流小、有定位转矩和使用螺栓机构的定位装置，确定步进电动机采用2相8拍混合式步进电机；在进行步进电动机的品种选择时，要综合考虑速比i、轴向力F、负载转矩 、额定转矩 和运行频率 ，以确定步进电机的具体规格和控制装置。由于我们使用螺栓机构的定位装置，已知条件和要求条件为：移动部分总重 M=25kg 外力 Fa=4kgcm磨擦系数 =0.04螺栓机构的效率 =0. 9螺栓轴径 =1.2cm螺栓长 =42cm螺距 P=3mm分辨率 L=0.01mm移动距离 =0.0075mm/步速度 V=2mmin 计算： 设拟选用2相、1.8步距角的HB型电动机速比(设使用直接驱动方式)i=m/(360L)=21.8(3600.01)=1轴向力F=Fa+M=4+0.0425=5kg.cm负载转矩=FP/(2 )+()/2=50.3/(2 3.140.9)+ (0.31.67 0.3)/(2 3.14)=0.289kg. cm 螺栓的惯量 =（）/32=（3.147.942）/32=0.0675kg. 移动体的惯量=M=25=0.0571 kg. 负载惯量为=+=0.0675+0.00571=0.1246kg.根据以上计算可以初步选定步进电动机，其惯量为=0.03 kg.，空载起动频率=3000H。由要求的速度可求出运行的频率：f=V/L=2000/(600.01)=3333HZ可知需要加减速的驱动方式。齿轮比：G=360/L=0.0075 360/ (1.80.01)=150换算到电机轴的负载转矩为T=GL(+F)/ 2 =1500.01(0.289+5)/(6.280.9) =1.40 kg. cm对首次设计的装置来讲，所选用的电动机通常留有23倍的余量，所以电机转矩=3T=31.40=4.2 kg. cm =0.41N. M根据以上的计算，我们在该机械手控制系统中的步进电动机采用北京斯达特机电科技发展有限公司生产的2相8拍混合式步进电机，它的主要特点：体积小，具有较高的起动和运行频率，有定位转矩等优点。型号：42BYGHl01。电气原理图如图 所示。快接线插头：红色表示A相，蓝色表示B相；如果发现步进电机转向不对时可以将A相或B相中的两条线对调。图四步进电机的出线图此步进电机的电气技术数据为:电机型号相数步距角相电流驱动电压额定转矩重量42BYGH1012 1.81.7ADC24V0.44NM 0.24 kg2. 步进电机驱动器的选择与交直流电动机不同，仅仅接上供电电源，步进电机不会运行的。为了驱动步进电动机，必须由一个决定电动机速度和旋转角度的脉冲发生器（在该立体仓库控制系统中采用PLC作脉冲发生器进行位置控制）、一个使电动机绕组电流按规定次序通断的脉冲分配器、一个保证电动机正常运行的功率放大器，以及一个直流功率电源等组成一个驱动系统，如图4所示 。我们采用北京斯达特机电科技发展有限公司生产的SH系列步进电动机驱动器，型号为SH-2H057。主要由电源输入部分、信号输入部分、输出部分组成。SH-2H057步进电动机驱动器采用铸铝结构，此种结构主要用于小功率驱动器,这种结构为封闭的超小型结构，本身不带风机，其外壳即为散热体，所以使用时要将其固定在较厚、较大的金属板上或较厚的机柜内，接触面之间要涂上导热硅脂，在其旁边加一个风机也是一种较好的散热办法。其接线示意图见图 5。 图5 步进电机驱动器接线示意图3、传感器接近开关：接近开关有三根连接线（红、兰、黑）红色接电源的正极、黑色接电源的负极、兰色为输出信号，当与挡块接近时输出电平为低电平，否则为高电平。见图3-9图3-9 接近开关微动开关：当挡块碰到微动开关动作（常开点闭合）见图3-10图3-10 微动开关5、直流电机：输入电压为12V24V，两根导线输入红色为直流电机正极，兰色为负极。第5章 机械手设备的调试1.接上实验台上控制板的各模块所需的直流电源（DC24V），同时接上PLC主机电源及COM点COM（）接电源的正极，COM（）接电源的负极。2.定义实验板上的步进驱动器，上为1号下为2号。将1号的步进驱动器输出的信号与机械手横轴的步进电机线相连。将2号的步进驱动器输出的信号与机械手竖轴的步进电机线相连。其它的线，根据线标接在实验板或主机上的相应位置。3.PLC输出脉冲信号接入步进电机的驱动器（Y0、Y2为一通道的脉冲与方向；Y1、Y3为二通道的脉冲与方向；驱动器的OPTO端接电源的正极）Y01-CP Y12-CPY21-DIR Y32-DIR4.确定接线无误时，先把主机的RUN-PROG的开关拨在PROG上，避免通上电就立即动作，通上电后拨动各个的微动开关的信号是否是相对应的信号。如拨动竖轴的上微动开关主机X1点亮；拨动竖轴的下微动开关主机X3点亮；拨动横轴靠手边的微动开关主机X0点亮；拨动横轴靠步进电机微动开关主机X2点亮。5.把主机上的RUN-PROG的开关拨在RUN上，如果不在初始位置上，步进开始运转（横轴向手那边移动，竖轴向上移动）。如运转的方向不对，立即切断电源，对方向不对步进电机线的红色两根线对调。6.动作步骤：(1)、竖轴下降 (2)、电磁阀动作，手抓紧(3)、竖轴上升 (4)、横轴前伸(5)、底盘旋转到位 (6)、竖轴下降(7)、电磁阀动作，手张开(8)、竖轴上升（9）、底盘旋转到位 （10）、横轴后缩复位